CN110061707B - 一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路 - Google Patents

一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路 Download PDF

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Abstract

一种基于Sigma‑Delta调制方式的隔离放大器电路，包括缓冲模块、Sigma‑Delta调制模块、片上变压器、Sigma‑Delta解调模块和滤波器输出处理模块。输入信号通过缓冲模块输入到Sigma‑Delta调制模块得到高频调制脉冲信号，Sigma‑Delta解调模块将由片上变压器传输过来的高频脉冲信号进行解调，解调之后通过滤波器滤除高频分量，并经过输出处理单元得到原始的模拟差分输入信号。本发明利用片上变压器传输的方式消除了光电耦合非线性传输、电容隔离器不能传输差分信号、噪声抑制能力差的缺点，同时利用Sigma‑Delta调制模块内部的负反馈调制系统实现噪声整形，且具有更高的精度，解调部分采用模拟Sigma‑Delta解调，相比传统数字降采样滤波器解调方案，电路设计更加简单，占用面积更小。

Description

一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体的说是涉及一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路。
背景技术
隔离放大器，就是在隔离器的基础上，外加一些信号处理电路而构成的一种新型的既有隔离又有放大作用的电路，隔离放大器在工业控制、高压测量及医疗设备等应用领域中得到广泛应用。传统的线性光耦隔离器具有功耗大、带宽窄、高非线性度、电容隔离器噪声抑制能力差等问题，同时常见的PWM调制存在精度相对低、噪声抑制能力差、数字降采样滤波器设计解调复杂等问题，在高精度、低成本应用场所受到限制。
发明内容
针对传统隔离放大器在功耗、带宽、非线性度、噪声抑制能力、精度、解调复杂度等方面存在的问题，本发明提出一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路，具有大带宽和低功耗的特点，通过Sigma-Delta调制电路使得隔离放大器具有更高的精度和更强的噪声抑制能力，另外有效降低了电路设计复杂度，降低了成本。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路，包括缓冲模块、Sigma-Delta调制模块、片上变压器、Sigma-Delta解调模块和滤波器输出处理模块，
所述隔离放大器电路的差分输入信号经过所述缓冲模块后传输到所述Sigma-Delta调制模块的差分输入端，经过所述Sigma-Delta调制模块处理后得到高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号；所述片上变压器将所述高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号传输到所述Sigma-Delta解调模块中进行解调，所述Sigma-Delta解调模块输出的解调信号经过所述滤波器输出处理模块后得到所述隔离放大器电路的输出信号；
所述Sigma-Delta解调模块包括前馈DAC单元和模拟解调单元，所述前馈DAC单元的输入端连接由所述片上变压器传输过来的高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号，其差分输出信号为所述模拟解调单元提供基准信号；
所述模拟解调单元包括第一积分器、第一开关和第二开关，第一积分器的差分输入端连接所述前馈DAC单元的差分输出信号，其差分输出端输出所述Sigma-Delta解调模块的解调信号并分别通过第一开关和第二开关反馈回第一积分器的差分输入端，其中第一开关和第二开关分别由所述片上变压器传输过来的高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号控制。
具体的，所述Sigma-Delta调制模块采用由第二积分器、第三积分器、加法器、钟控比较器和反馈DAC单元组成的二阶单环前馈结构的级联积分器调制系统，
第二积分器的差分输入端作为所述Sigma-Delta调制模块的差分输入端，其差分输出端连接第三积分器的差分输入端；
加法器的输入端连接第二积分器和第三积分器的差分输出端，其差分输出端连接钟控比较器的两个输入端；
钟控比较器的输出端输出所述高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号并通过反馈DAC单元反馈回第二积分器的差分输入端。
具体的，所述Sigma-Delta调制模块采用二阶单环反馈结构的级联积分器调制系统。
具体的，其特征在于，所述滤波器输出处理模块包括滤波器和输出处理单元，
所述滤波器用于滤除所述Sigma-Delta解调模块输出的解调信号中的高频分量，其输出信号经过所述输出处理单元放大后得到所述隔离放大器电路的输出信号。
具体的，所述滤波器对所述Sigma-Delta解调模块输出的解调信号进行二阶有源低通滤波。
具体的，所述缓冲模块输入级采用轨对轨设计，其输出级采用共源Class-AB结构。
本发明的有益效果为：本发明采用片上变压器传输，消除了光电耦合非线性传输、电容隔离器不能传输差分信号、噪声抑制能力差的缺点；相对于传统的PWM调制，利用Sigma-Delta调制模块内部的负反馈调制系统，具有更强的噪声抑制能力，可实现更高的精度；解调部分采用模拟Sigma-Delta解调，相比传统数字降采样滤波器解调方案，电路设计更加简单，占用面积更小。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路的整体框图；
图2为本发明提出的一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路中初级侧调制电路的一种实现形式。
图3为本发明提出的一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路中次级侧解调滤波输出处理电路的一种实现形式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
本发明基于Sigma-Delta调制方式提出了一种隔离放大器，如图1所示，本发明提出的隔离放大器电路包括初级侧和次级侧，初级侧包括缓冲(Buffer)模块和Sigma-Delta调制模块，次级侧包括Sigma-Delta解调模块和滤波器输出处理模块，初级侧和次级侧之间通过片上变压器连通。初级侧的输入信号Vin通过缓冲Buffer模块输入到Sigma-Delta调制模块进行处理并得到高频调制脉冲信号，Sigma-Delta解调模块将由片上变压器传输过来的高频调制脉冲信号进行解调，解调之后通过滤波器输出处理模块滤除高频分量得到差分输出原始信号。
其中一些实施例中缓冲模块的输入级采用轨对轨设计，可以提高共模输入范围以及内环路稳定性，缓冲模块的输出级采用共源Class-AB结构，可避免阻性负载接入影响缓冲模块OPA1的开环增益，以此提高运放的输入范围和开环增益。输入信号Vin为差分信号Vin+和Vin-，差分输入信号Vin+和Vin-经过缓冲模块后连接到Sigma-Delta调制模块的差分输入端。
Sigma-Delta调制模块主要实现噪声整形技术和过采样技术，将缓冲模块的输出信号处理得到高频调制脉冲信号，本实施例中Sigma-Delta调制模块采用积分求和电路、高速比较器、反馈DAC电路构成二阶单环CIFF(Cascade-of-intergrators,feedforwardform，前馈结构的级联积分器)调制系统，包括第二积分器OPA2、第三积分器OPA3、加法器OPA4、钟控比较器和单比特反馈DAC单元，加法器OPA4将两级积分器第二积分器OPA2和第三积分器OPA3d输出通过一定的增益系数(通常为1)加在一起送给钟控比较器得到调制后的高频调制脉冲信号，同时通过反馈DAC将高频调制脉冲信号反馈到第二积分器OPA2的输入构成闭环反馈系统。Sigma-Delta调制模块内部的负反馈调制系统实现噪声整形，使得本发明具有更强的噪声抑制能力。
其中第二积分器OPA2和第三积分器OPA3可以采用全差分跨导运算放大器，钟控比较器包括一个高速比较器和一个SR锁存器，高速比较器采用受时钟控制的两级全动态比较器；单比特反馈DAC单元可以采用NRZ-DAC进行反馈。
本实施例中Sigma-Delta调制模块采用二阶CIFF结构，在不考虑电路复杂度及面积约束下，若需要更高精度要求可采用高阶(大于2阶)CIFF结构，一些实施例中，Sigma-Delta调制模块也可以采用二阶CIFB(Cascade-of-intergrators,feedback form，反馈结构的级联积分器)结构。
Sigma-Delta调制模块输出的高频调制脉冲信号Q和高频调制脉冲信号的反相信号Q_B通过片上电感变压器传输到次级侧的Sigma-Delta解调模块。
本发明提出的Sigma-Delta解调模块采用模拟解调方案，将高频脉冲信号Q和高频调制脉冲信号的反相信号Q_B进行解调，还原为连续时间信号，包括前馈DAC单元和模拟解调单元，由片上电感变压器传输的高频调制脉冲信号Q和高频调制脉冲信号的反相信号Q_B输入到前馈DAC单元为模拟解调单元提供基准信号；同时高频调制脉冲信号Q和高频调制脉冲信号的反相信号Q_B控制模拟解调单元中的第一开关S1、第二开关S2将第一积分器OPA5的差分输出信号反馈到第一积分器OPA5的差分输入端，整个解调过程实现把高频调制脉冲信号还原成连续时间信号。
Sigma-Delta解调模块输出的解调信号经过滤波器输出处理模块后得到隔离放大器电路的输出信号，由于解调信号中含有高频分量，滤波器输出处理模块中的滤波器用于对解调信号进行二阶有源低通滤波，滤除其中的高频分量，一些实施例中还可以采用传统的比如RC滤波器。由于滤波器在传输接近带宽的信号时会有一定的增益下降，需要一个比例运算放大，因此利用滤波器输出处理模块中的输出处理单元进行放大后还原为原始输入差分信号。
参考基准源产生参考电压Vrefp和Vrefn为信号调制和解调提供基准，钟控比较器的时钟信号可以采用外置时钟源进行配置，通常由PLL产生，时钟信号与Sigma-Delta调制模块的过采样率(OSR)有关，设输入信号频率为fin，则外挂时钟信号频率至少为：fclk＝2fin*OSR。
具体连接方式如图2、3所示。图2所示，初级侧的缓冲Buffer模块(OPA1)输入端连接差分输入信号Vin+和Vin-，其差分输出VON1和VOP1分别连接到Sigma-Delta调制模块的差分输入端VIN2-和VIN2+，Sigma-Delta调制模块中第二积分器OPA2与第三积分器OPA3的差分输出VON2、VOP2、VON3、VOP3以一定的增益系数通过加法器OPA4加在一起输出差分信号VOP4和VON4送给钟控比较器，钟控比较器中高速比较器得到的调制输出送到S/R锁存器得到高频调制脉冲信号Q和高频调制脉冲信号的反相信号Q_B，同时Q和Q_B通过单比特反馈DAC单元(MUX1和MUX2)输入到第二积分器OPA2的差分输入端，从而组成二阶单环CIFF调制系统。
图3所示，高频调制脉冲信号Q和高频调制脉冲信号的反相信号Q_B通过片上电感变压器传输到次级侧的Sigma-Delta解调模块，其中Sigma-Delta解调模块的前置DAC单元(MUX3和MUX4)接收高频调制脉冲信号Q和高频调制脉冲信号的反相信号Q_B并为模拟解调单元提供基准信号，同时高频调制脉冲信号Q和高频调制脉冲信号的反相信号Q_B控制模拟解调单元中的第一开关S1、第二开关S2并将第一积分器OPA5的差分输出信号VOP5和VON5反馈到第一积分器OPA5的差分输入端，即解调过程实现把脉冲调制信号还原成连续时间信号；然后将Sigma-Delta解调模块输出的类似阶梯信号VOP5和VON5输入到二阶有源低通滤波器OPA6和OPA7，滤波器将解调信号中的高频分量滤除，并经过输出处理模块OPA8后，最终得到原始模拟差分信号OUT+和OUT-。
本实施例的具体工作原理为：初级侧的差分输入信号经过Buff模块后输入到Sigma-Delta调制模块，Sigma-Delta调制模块采用二阶CIFF结构，在不考虑电路复杂度及面积约束下，若需要更高精度要求可采用高阶(大于2阶)CIFF结构。
Sigma-Delta调制模块主要实现噪声整形技术和过采样技术，其信噪比公式SNR可表示为：
Figure BDA0002040223300000051
所以可以增加Sigma-Delta调制模块阶数L和过采样率OSR可以提高信噪比SNR，从而提高调制器的量化精度，N为Sigma-Delta调制模块有效位数(ENOB)。考虑到电路复杂度和调制精度，本实施例选用过采样率OSR＝64，调制器阶数L＝2的调制器结构。Sigma-Delta调制模块输出为高频调制脉冲信号，即输入信号在时域被斩波离散化成脉冲占空比信号(Duty信号)，Duty信号占空比可表示为：
Figure BDA0002040223300000052
即输入在0附近时，Sigma-Delta调制模块输出集中于占空比D＝50％；随着输入信号增大，输出占空比
Figure BDA0002040223300000053
逐渐变大，同理随着输入信号减小，输出脉冲占空比
Figure BDA0002040223300000054
减小。调制输出的高频调制脉冲信号通过片上电感变压器传输到次级侧的Sigma-Delta解调模块，Sigma-Delta解调模块采用模拟解调方案，将高频脉冲信号进行解调，还原为连续时间信号；低通滤波器模块采用二阶有源滤波结构，滤除解调模块输出信号中的高频分量，由于滤波器在传输接近带宽的信号时会有一定的增益下降，需要一个比例运算放大，即再经过输出信号处理单元还原为原始输入差分信号。
综上所述，本发明提出的隔离放大器，采用片上变压器传输，消除了光电耦合非线性传输、电容隔离器不能传输差分信号、噪声抑制能力差的缺点，相比传统的隔离，特别是光电隔离传输，功耗更低，且单片可集成；利用Sigma_delta调制方式增加了带宽；同时，相对于传统的PWM调制，Sigma-Delta调制模块内部具有负反馈调制系统，同时具有噪声整形功能，且能够实现更高的精度；解调部分采用模拟Sigma-Delta解调，相比传统数字降采样滤波器解调方案，电路设计更加简单，占用面积更小。
可以理解的是，本发明不限于上文示出的精确配置和组件。在不脱离权利要求书的保护范围基础上，可以对上文所述方法和结构的步骤顺序、细节及操作做出各种修改、改变和优化。

Claims (4)

1.一种基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路，其特征在于，包括缓冲模块、Sigma-Delta调制模块、片上变压器、Sigma-Delta解调模块和滤波器输出处理模块，
所述隔离放大器电路的差分输入信号经过所述缓冲模块后传输到所述Sigma-Delta调制模块的差分输入端，经过所述Sigma-Delta调制模块处理后得到高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号；所述片上变压器将所述高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号传输到所述Sigma-Delta解调模块中进行解调，所述Sigma-Delta解调模块输出的解调信号经过所述滤波器输出处理模块后得到所述隔离放大器电路的输出信号；
所述Sigma-Delta解调模块包括前馈DAC单元和模拟解调单元，所述前馈DAC单元的输入端接收由所述片上变压器传输过来的高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号，其差分输出信号为所述模拟解调单元提供基准信号；
所述模拟解调单元包括第一积分器、第一开关和第二开关，第一积分器的差分输入端连接所述前馈DAC单元的差分输出信号，其差分输出端输出所述Sigma-Delta解调模块的解调信号并分别通过第一开关和第二开关反馈回第一积分器的差分输入端，其中第一开关和第二开关分别由所述片上变压器传输过来的高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号控制；
所述Sigma-Delta调制模块采用由第二积分器、第三积分器、加法器、钟控比较器和反馈DAC单元组成的二阶单环前馈结构的级联积分器调制系统，
第二积分器的差分输入端作为所述Sigma-Delta调制模块的差分输入端，其差分输出端连接第三积分器的差分输入端；
加法器的输入端连接第二积分器和第三积分器的差分输出端，其差分输出端连接钟控比较器的两个输入端；
钟控比较器的输出端输出所述高频调制脉冲信号和高频调制脉冲信号的反相信号并通过反馈DAC单元反馈回第二积分器的差分输入端。
2.根据权利要求1所述的基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路，其特征在于，所述Sigma-Delta调制模块采用二阶单环反馈结构的级联积分器调制系统。
3.根据权利要求1或2所述的基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路，其特征在于，所述滤波器输出处理模块包括滤波器和输出处理单元，
所述滤波器用于滤除所述Sigma-Delta解调模块输出的解调信号中的高频分量，其输出信号经过所述输出处理单元放大后得到所述隔离放大器电路的输出信号。
4.根据权利要求3所述的基于Sigma-Delta调制方式的隔离放大器电路，其特征在于，所述滤波器对所述Sigma-Delta解调模块输出的解调信号进行二阶有源低通滤波。
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